Lysosome


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Schematic of typical animal cell, showing subcellular components.Organelles:
(1) Nucleolus
(2) Nucleus
(3) Ribosomes (little dots)
(4) Vesicle
(5) Rough endoplasmic reticulum (ER)
(6) Golgi apparatus
(7) Cytoskeleton
(8) Smooth ER
(9) Mitochondria
(10) Vacuole
(11) Cytosol
(12) Lysosome
(13) Centrioles within Centrosome
Lysosomes are cellular organelles that contain acid hydrolase enzymes that break down waste materials and cellular debris. These are non-specific. They can be described as the stomach of the cell. They are found in animal cells, while their existence in yeasts and plants are disputed. Some biologists say the same roles are performed by lytic vacuoles,[1] while others suggest there is strong evidence that lysosomes are indeed in some plant cells.[2] Lysosomes digest excess or worn-out organelles, food particles, and engulf viruses or bacteria. The membrane around a lysosome allows the digestive enzymes to work at the 4.5 pHthey require. Lysosomes fuse with vacuoles and dispense their enzymes into the vacuoles, digesting their contents. They are created by the addition of hydrolytic enzymes to early endosomes from the Golgi apparatus. The name lysosome derives from the Greek words lysisto separate, and somabody. They are frequently nicknamed "suicide-bags" or "suicide-sacs" by cell biologists due to their autolysis. Lysosomes were discovered by the Belgian cytologist Christian de Duve in the 1960s.
The size of a lysosome varies from 0.1–1.2 μm.[3] At pH 4.8, the interior of the lysosomes is acidic compared to the slightly alkaline cytosol (pH 7.2). The lysosome maintains this pH differential by pumping protons (H+ ions) from the cytosol across themembrane via proton pumps and chloride ion channels. The lysosomal membrane protects the cytosol, and therefore the rest of the cell, from the degradative enzymes within the lysosome. The cell is additionally protected from any lysosomal acidhydrolases that drain into the cytosol, as these enzymes are pH-sensitive and do not function well or at all in the alkaline environment of the cytosol.This ensures that cytosolic molecules and organelles are not lysed in case there is leakage of the hydrolytic enzymes from the lysosome.
Lysosomes are the cell's waste disposal system and can digest some compounds. They are used for the digestion ofmacromolecules from phagocytosis (ingestion of other dying cells or larger extracellular material, like foreign invading microbes),endocytosis (where receptor proteins are recycled from the cell surface), and autophagy (where in old or unneeded organelles or proteins, or microbes that have invaded the cytoplasm are delivered to the lysosome). Autophagy may also lead to autophagic cell death, a form of programmed self-destruction, or autolysis, of the cell, which means that the cell is digesting itself.
Other functions include digesting foreign bacteria (or other forms of waste) that invade a cell and helping repair damage to theplasma membrane by serving as a membrane patch, sealing the wound. In the past, lysosomes were thought to kill cells that are no longer wanted, such as those in the tails of tadpoles or in the web from the fingers of a 3- to 6-month-old fetus.

Contents

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[edit]Formation

Many components of the animal cell can be seen recycling and sharing their membranous units. For instance, in endocytosis, a portion of the cell’s plasma membrane pinches off to form a vesicle that will eventually fuse with an organelle within the cell. Without active replenishment, the plasma membrane would continuously decrease in size. It is thought that lysosomes participate in this dynamic membrane exchange system and are formed by a gradual maturation process from endosomes.[4]
The production and transport of lysosomal proteins suggest one method of lysosome sustainment. Lysosomal protein genes are transcribed in the nucleus. mRNA transcripts exit the nucleus into the cytosol, where they are translated by ribosomes. The nascent peptide chains are translocated into the rough endoplasmic reticulum, where they are modified. Upon exiting the endoplasmic reticulum and entering the Golgi apparatus via vesicular transport, a specific lysosomal tag, mannose 6-phosphate, is added to the peptides. The presence of these tags allow for binding to mannose 6-phosphate receptors in the golgi apparatus, a phenomenon that is crucial for proper packaging into vesicles destined for the lysosomal system.[5]
Upon leaving the golgi apparatus, the lysosomal enzyme-filled vesicle fuses with a late endosome, a relatively acidic organelle with an approximate pH of 5.5.[5] This acidic environment causes dissociation of the lysosomal enzymes from the mannose 6-phosphate receptors[5]. The enzymes are packed into vesicles for further transport to established lysosomes.[5] The late endosome itself can eventually mature into a mature lysosomes, as evidenced by the transport of endosomal membrane components from the lysosomes back to the endosomes.[4]

[edit]Lysosomotropism

Weak bases with lipophilic properties accumulate in acidic intracellular compartments like lysosomes. While the plasma and lysosomal membranes are permeable for neutral and uncharged species of weak bases, the charged protonated species of weak bases do not permeate biomembranes and accumulate within lysosomes. The concentration within lysosomes may reach levels 100 to 1000 fold higher than extracellular concentrations. This phenomenon is called "lysosomotropism"[6] or "acid trapping". The amount of accumulation of lysosomotropic compounds may be estimated using a cell based mathematical model.[7]
A significant part of the clinically approved drugs are lipophilic weak bases with lysosomotropic properties. This explaines a number of pharmacological properties of these drugs, such as high tissue-to-blood concentration gradients or long tissue elimination half-lifes; these properties have been found for drugs such as haloperidol,[8] levomepromazine [9] and amantadine.[10] However, in addition to lysosomotropism, high tissue concentrations and long elimination half-life is explained also by lipophilicity and absorption of drugs to fatty tissue structures. Important lysosomal enzymes, such as acid sphingomyelinase, may be inhibited by lysososomally accumulated drugs.[11][12] Such compounds are termed FIASMAs (functional inhibitor of acid sphingomyelinase)[13]and include for example fluoxetinesertraline or amitriptyline.

Carnitine

La carnitine est un composé comprenant une fonction ammonium quaternaire, elle est bio-synthétisée à partir de lysine et de méthionine. Cette molécule intervient au sein de la cellule dans le transport des acides gras du cytosol vers les mitochondries lors du catabolisme des lipides dans le métabolisme énergétique. Cette molécule est souvent vendue en tant que complément alimentaire. La carnitine a été découverte en tant que facteur de croissance de vers de farine (larve de Tenebrio molitor). La carnitine possède deux stéréo-isomères, sa forme biologique est la L-carnitine alors que la forme D est biologiquement inactive.

Production[modifier]

Chez les animaux, la carnitine est synthétisée principalement par le foie et les reins à partir de lysine et de méthionine. La vitamine C (ou acide ascorbique) est essentielle pour la synthèse de carnitine. Pendant la croissance et la grossesse, les besoins de carnitine peuvent dépasser la quantité produite normalement par le corps.

Rôle dans le métabolisme des acides gras[modifier]

La carnitine transporte les longues chaînes acyl des acides gras vers la matrice mitochondriale. Les chaînes acyl y sont catabolysées par β-oxydation (hélice de Lynen) en acétate utilisable afin de former de l'énergie en passant par le cycle de Krebs. Chez certains champignons, la carnitine entre dans une voie de néoglucogenèse. Les acides gras doivent être activés avant de se fixer à la molécule et ainsi former l'acyl-carnitine. L'acide gras libre du cytosol est lié par une liaison thioester à la coenzyme A (CoA). Cette réaction est catalysée par une enzyme : l'acyl-CoA synthétase, le transfert nécessite une ATPase, il y a donc consommation d'énergie provenant d'une liaison à haut potentiel d'hydrolyse.
Le groupe acyl fixé sur le CoA peut à présent être transféré sur la carnitine, et l'acyl-carnitine résultant être transféré à travers la membrane vers la matrice mitochondriale. Les étapes sont les suivantes :
  1. L'acyl-CoA est fixé à la carnitine par la carnitine acyl-transférase I localisée sur la membrane mitochondriale externe.
  2. L'acyl-carnitine formé est "poussé" par la carnitine-acylcarnitine translocase dans l'espace intermembranaire.
  3. L'acyl-carnitine est converti en acyl-CoA (libre dans la matrice) par la carnitine acyltransferase II localisée sur la membrane mitochondriale interne. La carnitine libre retourne dans le cytosol.
Les troubles génétiques engendrant une déficience en carnitine affectent les différentes étapes de ce processus et donc les voies de métabolisation des acides gras.
La carnitine acyltransferase I subit une inhibition allostérique à la suite du malonyl-CoA, un intermédiaire dans la synthèse des acides gras, afin d'éviter un phénomène cyclique entre β-oxydation(catabolisme) et synthèse des acides gras (anabolisme).
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En pointillé orange : membrane externe. En trait plein bleu : membrane interne.

Effets physiologiques[modifier]

Effets sur la masse osseuse[modifier]

Avec l'âge, la concentration cellulaire de carnitine diminue, ce qui affecte le métabolisme des acides gras au sein de différents tissus. Les os sont particulièrement affectés, en effet, il y a un besoin constant de carnitine pour la maintenance du métabolisme des ostéoblastes (cellules permettant le renouvellement des os et la maintenance de la masse osseuse).
Il y a une corrélation proche entre les changements de la concentration plasmatique d'ostéocalcine et l'activité des ostéoblastes. On remarque une diminution de cette concentration chez des sujets atteints d'ostéoporose ou de femmes ménopausées. L'administration de carnitine ou de propionyl-L-carnitine peut faire augmenter le niveau plasmatique d'ostéocalcine qui diminue régulièrement avec l'âge.

Effet antioxydant[modifier]

La carnitine a une action antioxydante, cette action fournit un effet préventif contre la lipiperoxydation des phospholipides membranaires et contre le stress oxydatif induit au niveau des cellules myocardiales et endothéliales. Il s'agit donc d'une molécule réductrice.

Utilisations pharmaceutique possibles[modifier]

Effets sur le diabète[modifier]

La carnitine aurait un effet positif sur le diabète de type II2.

Effet sur la stérilité masculine[modifier]

L'utilisation de carnitine s'est montré prometteuse lors d'un essai contrôlé, en améliorant la qualité du sperme dans certains cas de stérilité masculine3. En effet, la carnitine contribue à la mise en réserve d'énergie du spermatozoïde, lors de son transit épididymaire. Avec un Spermogramme, il est alors possible en analysant le taux de carnitine, de déceler une pathologie obstructive.

En tant que complément alimentaire diététique[modifier]

La carnitine a été parfois utilisée en tant que complément alimentaire dans le but de perdre du poids mais sans preuve scientifique de conséquences positives.

Source[modifier]

Les aliments possédant la plus grande concentration de carnitine sont la viande rouge et les produits laitiers. On en trouve également dans diverses noix, graines (citrouilletournesolsésame), légumes (artichautaspergebetteravebrocolichou de Bruxelleschou cavalierailmoutardegombopersilchou frisé), fruits (abricotbanane) et céréales (sarrasinmaïsmilletavoineson derizseigle, ...).
AlimentQuantité4Carnitine
Steak de bœuf100 g95 mg
Bœuf haché100 g94 mg
Porc100 g27,7 mg
Bacon100 g23,3 mg
Tempehdemi tasse19,5 mg
Morue100 g5,6 mg
Blanc de poulet100 g3,9 mg
Fromage Américain100 g3,7 mg
Crême glacée104 ml3,7 mg
Lait entier104 ml3,3 mg
Avocatde taille moyenne2 mg5
Fromage blanc104 ml1,1 mg
Pain complet100 g0,36 mg
Asperge100 g0,195 mg
Pain blanc100 g0,147 mg
Macaroni100 g0,126 mg
Beurre d'arachide100 g0,083 mg
Riz (cuit)100 g0,0449 mg
Œufs100 g0,0121 mg
Jus d'orange104 ml0,0019 mg
r.wikipedia.org

Etude de la réaction inflammatoire


Les AINS sont les médicaments les plus prescrits au monde pour leurs propriétés analgésiques, anti-pyrétiques et anti-inflammatoires. Leur utilisation est tout de même limitée du fait de leurs effets secondaires en particulier au niveau du tractus gastro-intestinal.
Ces composés peuvent être classés dans quatre catégories selon leurs capacités à inhiber COX-1 et COX-2 : les sélectifs (célécoxib et rofécoxib), les préférentiels (nimésulide, étodolac et méloxicam), les peu sélectifs pourCOX-2 (diclofénac et piroxicam) et les mauvais inhibiteurs qui sont même de meilleurs inhibiteurs de la COX-1 par rapport à la COX-2 (la plupart des salicylates) (Katori M. et Majima M., 2000).

2.3.1. MODE D'ACTION GENERAL

Normalement, l'acide arachidonique, libéré des membranes, s'engage dans le canal hydrophobe de la cyclooxygénase et établit une liaison avec l'Arg 120. La transformation de l'acide arachidonique en PGG2 puis en PGH2commence alors. Les AINS peuvent également s'engager dans ce canal (fig.46) et établir une liaison avec les fonctions amines de l'Arg 120 par leur fonction acide (fig. 47). Dans ce cas, l'acide arachidonique ne peut plus s'y loger et par conséquent, la synthèse des prostanoïdes est inhibée.

fig. 46 : Représentation du canal hydrophobe de la COX-1 (Picot et al., 1994).

fig. 47 : Représentation du flurbiprofène avec le site actif de la COX-1 (picot et al.,1994).
Des études on été menées afin de mieux comprendre le mode de liaison entre les AINS et la cyclooxygénase. Dans le cas du flurbiprofène, des recherches en cristallographie ont pu mettre en évidence les points de reconnaissance. Le flurbiprofène est un AINS non sélectif (fig.48) puisque les CI50 sont de 0,29 µM pour COX-1 et 2,56 µM pour COX-2 (Kurumbail R.G. et al., 1996). Le rapport de sélectivité CI50 COX-2/CI50 COX-1 est de 8,8.

fig. 48 : Le flurbiprofène
La liaison du flurbiprofène est identique sur COX-1 et COX-2. Le flurbiprofène s'engage dans le canal hydrophobe, établit une liaison saline entre son groupement carboxylate et l'Arg 120 ainsi qu'une liaison hydrogène avec la Tyr 355. Le cycle fluorophényle forme des interactions de Van der Waals avec les atomes de la chaîne principale de la Gly 526 et de l'Ala 527. Le cycle phényle interagit avec la Ser 530, site d'acétylation par l'aspirine.
Un modèle équivalent a été développé afin d'expliciter le mode d'action de l'aspirine. L'acide acétylsalicylique fixe l'Arg 120 par son groupement carboxylique et réalise une acétylation irréversible avec la Ser 530 sur COX-1 ovine, avec la Ser 529 pour la COX-1 plaquettaire humaine et avec la Ser 516 pour la COX-2 (Picot D. et al., 1994).
Les conséquences de la fixation de l'aspirine sur COX-1 et COX-2 sont différentes. La sérine acétylée provoque une saillie dans le canal hydrophobe et empêche la formation de PGG2 pour les deux isoformes. Mais, alors qu'elle provoque un blocage complet au niveau du site actif deCOX-1, elle permet la biotransformation de l'acide arachidonique en 15-R-HETE par un nouveau mode de fonctionnement de la COX-2 (Terlain B. et al., 1996).
Le site actif de COX-2 est légèrement plus grand, ce qui lui permet d'accepter des molécules ayant la même structure que les AINS classiques mais avec une partie supplémentaire afin d'augmenter la spécificité vis à vis de la cyclooxygénase-2. La taille de la molécule est donc un des points sur lequel il faut jouer afin d'avoir des anti-inflammatoires sélectifs de la COX-2(fig. 49).

fig. 49 : Schéma permettant d'expliquer l'augmentation de sélectivité des AINS de nouvelle génération en faveur de COX-2.

2.3.2. LES INHIBITEURS PREFERENTIELS

2.3.2.1. Le nimésulide

Le nimésulide (fig. 50) a rapidement été reconnu comme un inhibiteur préférentiel de la COX-2 par rapport à la COX-1 puisqu'il inhibe la COX-2 à des valeurs 20 fois plus faibles que celles de la COX-1 (Nakatsugi S. et al., 1996).
Aux doses efficaces, il agit avec les mêmes résultats sur la douleur dans les cas de polyarthrite rhumatoïde que les AINS habituellement utilisés jusque là , mais dans le cas où l'administration est pratiquée sur du long terme, il est mieux toléré (Cullen L. et al., 1998).
Dans les cas d'inflammation limitée dans le temps comme les tendinites, les douleurs dentaires ou la fièvre, il n'y a pas de différences avec l'utilisation d'AINS classiques (Lecomte J. et al., 1994).
Plus récemment, il a été constaté que les risques de saignements au niveau du tractus gastro-intestinal ne sont pas différents de ceux causés par l'utilisation des AINS d'ancienne génération (Garcia Rodriguez L.A. et al., 1998).

fig. 50 : Le nimésulide.

2.3.2.2. L'étodolac

L'étodolac (fig. 51) a montré dans les études in vitro une spécificité 10 fois plus forte pour la COX-2 par rapport à la COX-1 (Glaser K. et al., 1995). Les études cliniques ont montré une réelle efficacité dans les cas de polyarthrite rhumatoïde sans pour autant amener des effets indésirables (Schnitzer T.J. et Constantine G., 1997), il est également efficace dans les cas de douleurs dues à une intervention au niveau dentaire. Ses propriétés analgésiques durent plus longtemps en comparaison avec l'aspirine (Gaston G.W. et al., 1986).

fig. 51 : L'étodolac

2.3.2.3. Le méloxicam

Le méloxicam (fig. 52) a également montré une sélectivité 3 à 12 fois plus élevée envers la COX-2 par rapport à la COX-1 dans les études in vitro(Engelhardt G., 1996, Ogino K. et al., 1997) et a montré in vivo chez l'animal un faible pouvoir à induire des ulcères (Ogino K. et al., 1997).
Ce médicament utilisé dans les cas de polyarthrite rhumatoïde est aussi efficace que les autres AINS sans qu'il ait été constaté d'agrégation plaquettaire et les effets secondaires au niveau gastrique sont peu nombreux (Hawkey C. et al., 1998).

fig. 52 : Le méloxicam

2.3.3. LES INHIBITEURS SELECTIFS

2.3.3.1. Le célécoxib


fig. 53 : Le célécoxib
Le célécoxib (fig. 53) est 375 fois plus sélectif vis à vis de la COX-2 que pour la COX-1 (Lipsky P.E., Isakson P.C., 1997, Seibert K. et al., 1994).
Il n'a pas d'effet sur l'agrégation plaquettaire, des études approfondies ont montré qu'il n'y avait pas de formation d'ulcères dans les cas d'administration prolongée. Il est employé dans des traitements de longue durée comme la polyarthrite rhumatoïde ou de courte durée comme lesdouleurs dues à des courbatures, des tendinites ou des douleurs dentaires(Mac Adam B.F. et al., 1999).

2.3.3.2. Le rofécoxib

Le rofécoxib (fig. 54) est comme le célécoxib, hautement spécifique de laCOX-2 par rapport à la COX-1, environ 80 fois plus sélectif (Warner T.D. et al., 1999).
Il a des propriétés anti-inflammatoires dans le traitement de la polyarthrite rhumatoïde, anti-pyrétiques et analgésiques pour des douleurs locales comme un mal de dent ou des douleurs plus généralisées. Cet effet analgésique serait même supérieur à celui produit par le célécoxib. Aucun effet secondaire n'a pu être mis en évidence (Hawkey C. et al. 2000).

fig. 54 : Le rofécoxib